第二章放大電路分析基礎2.1放大電路工作原理2.2放大電路的直流工作狀態2.3放大電路的動態分析2.4靜態工作點的穩定及其偏置電路2.5多級放大電路2.1放大電路工作原理2.1.1放大電路的組成原理圖2-1共發射極基本放大電路

(1)為保證三極管V工作在放大區,發射結必須正向運用;集電結必須反向運用。圖中Rb,UBB即保證e結正向運用;Rc,UCC保證c結反向運用。

(2)既然我們要放大信號,那么電路中應保證輸入信號能加至三極管的e結,以控制三極管的電流。（3）圖中Rs為信號源內阻；Us為信號源電壓；Ui為放大器輸入信號。電容C1為耦合電容,其作用是:使交流信號順利通過加至放大器輸入端，同時隔直流,使信號源與放大器無直流聯系。C1一般選用容量大的電解電容,它是有極性的,使用時,它的正極與電路的直流正極相連,不能接反。C2的作用與C1相似,使交流信號能順利傳送至負載,同時,使放大器與負載之間無直流聯系。圖2–2

單電源共發射極放大電路2.1.2直流通路和交流通路當輸入信號為零時,電路只有直流電流;當考慮信號的放大時,我們應考慮電路的交流通路。所以在分析、計算具體放大電路前,應分清放大電路的交、直流通路。由于放大電路中存在著電抗元件,因而直流通路和交流通路不相同。對于直流通路來說,電容視為開路,電感視為短路;對于交流通路,電容和電感應作為電抗元件處理,當其電抗與其所在回路的串聯電阻相比,可忽略其作用時,電容一般按短路處理,電感按開路處理。直流電源因為其兩端電壓值固定不變,內阻視為零,故在畫交流通路時也按短路處理。根據上述原則,圖2－2電路的直流通路和交流通路可畫成如圖2－3(a)、(b)所示。圖2–3

基本共e極電路的交、直流通路放大電路的分析主要包含兩個部分:

直流分析,又稱為靜態分析,用于求出電路的直流工作狀態,即基極直流電流IB;集電極直流電流IC;集電極與發射極間直流電壓UCE。交流分析,又稱動態分析,用來求出電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻三項性能指標。2.2放大電路的直流工作狀態2.2.1解析法確定靜態工作點由圖2-3(a)所示,首先由基極回路求出靜態時基極電流IBQ:硅管鍺管(2-1)(2-2)根據三極管各極電流關系,可求出靜態工作點的集電極電流ICQ：再根據集電極輸出回路可求出UCEQ(2-3)(2-4)

【例1】估算圖2-2放大電路的靜態工作點。設UCC=12V,Rc=3kΩ,

Rb=280kΩ,β＝５０。解根據公式(2-1)、(2-3)、(2-4)得2.2.2圖解法確定靜態工作點將圖2-3(a)直流通路改畫成圖2-4(a)。由圖a、b兩端向左看,其iC~uCE關系由三極管的輸出特性曲線確定,如圖2-4(b)所示。由圖a、b兩端向右看,其iC～uCE關系由回路的電壓方程表示:uCE=UCC-iCRcuCE與iC是線性關系,只需確定兩點即可:令iC=0,uCE=UCC,得M點;令uCE=0,iC=UCC/Rc,得N點。將M、N兩點連接起來,即得一條直線,因為它反映了直流電流、電壓與負載電阻Rc的關系，所以稱為直流負載線,如圖2-4(c)所示。由于在同一回路中只有一個iC值和uCE值,即iC、uCE既要滿足圖2-4(b)所示的輸出特性,又要滿足圖2-4(c)所示的直流負載線,所以電路的直流工作狀態,必然是IB=IBQ的特性曲線和直流負載線的交點。只要知道IBQ即可,一般可通過(2-1)式直接求出。Q點的確定如圖2-4(d)所示。圖2–4

靜態工作點的圖解法由上可得出用圖解法求Q點的步驟: (1)在輸出特性曲線所在坐標中,按直流負載線方程uCE=UCC-iCRc,作出直流負載線。

(2)由基極回路求出IBQ。

(3)找出iB=IBQ這一條輸出特性曲線,與直流負載線的交點即為Q點。讀出Q點坐標的電流、電壓值即為所求。

【例2】如圖2-5(a)所示電路,已知Rb=280kΩ,Rc=3kΩ,UCC=12V,三極管的輸出特性曲線如圖2-5(b)所示,試用圖解法確定靜態工作點。圖2–5

例2電路圖解首先寫出直流負載方程,并作出直流負載線:然后,由基極輸入回路,計算IBQ直流負載線與iB=IBQ=40μA這一條特性曲線的交點,即為Q點,從圖上查出IBQ=40μA,ICQ=2mA,UCEQ=6V,與例1結果一致。2.2.3電路參數對靜態工作點的影響

1.

Rb對Q點的影響為明確元件參數對Q點的影響,當討論Rb的影響時,固定Rc和UCC。

Rb變化,僅對IBQ有影響,而對負載線無影響。如Rb增大,IBQ減小,工作點沿直流負載線下移;如Rb減小,IBQ增大,則工作點將沿直流負載線上移,如圖2－6(a)所示。圖2–6

電路參數對Q點的影響2.

Rc對Q點的影響

Rc的變化,僅改變直流負載線的N點,即僅改變直流負載線的斜率。

Rc減小,N點上升,直流負載線變陡,工作點沿iB=IBQ這一條特性曲線右移。

Rc增大,N點下降,直流負載線變平坦,工作點沿iB=IBQ這一條特性曲線向左移。如圖2-6(b)所示。

3.UCC對Q點的影響

UCC的變化不僅影響IBQ,還影響直流負載線,因此,UCC對Q點的影響較復雜。

UCC上升,

IBQ增大,同時直流負載線M點和N點同時增大,故直流負載線平行上移,所以工作點向右上方移動。

UCC下降,IBQ下降,同時直流負載線平行下移。所以工作點向左下方移動。如圖2-6(c)所示。實際調試中,主要通過改變電阻Rb來改變靜態工作點,而很少通過改變UCC來改變工作點。2.3放大電路的動態分析2.3.1圖解法分析動態特性1.交流負載線的作法圖2–7

交流負載線的畫法交流負載線具有如下兩個特點:(1)交流負載線必通過靜態工作點,因為當輸入信號ui的瞬時值為零時,如忽略電容C1和C2的影響,則電路狀態和靜態時相同。

(2)另一特點是交流負載線的斜率由表示。過Q點,作一條的直線,就是交流負載線。具體作法如下:

首先作一條的輔助線(此線有無數條),然后過Q點作一條平行于輔助線的線即為交流負載線,如圖2-7所示。由于,故一般情況下交流負載線比直流負載線陡。交流負載線也可以通過求出在uCE坐標的截距,再與Q點相連即可得到。連接Q點和點即為交流負載線。(2-5)

【例3】作出圖2-5(a)的交流負載線。已知特性曲線如圖2-5(b)所示,UCC=12V,Rc=3kΩ,RL=3kΩ,Rb=280kΩ。解首先作出直流負載線,求出Q點,如例2所示。為方便將圖2-5(b)重畫于圖2-8。顯然作一條輔助線,使其取ΔU=6V、ΔI=4mA,連接該兩點即為交流負載線的輔助線,過Q點作輔助線的平行線,即為交流負載線?？梢钥闯鱿嘁恢?。與按

相一致。圖2–8

例3中交流負載線的畫法2.交流波形的畫法表2-140604020402321264.567.56仍以例3為例,設輸入加交流信號電壓為ui=Uimsinωt,則基極電流將在IBQ上疊加進ib,即iB=IBQ+Ibmsinωt,如電路使Ibm=20μA,則圖2-9

基極、集電極電流和電壓波形由以上可看出,在放大電路中,三極管的輸入電壓uBE、電流iB,輸出端的電壓uCE、電流iC均含直流和交流成分。交流是由信號ui引起的,是我們感興趣的部分。直流成分是保證三極管工作在放大區不可少的。在輸入端,直流成分疊加交流成分,然后進行放大;在輸出端,用電容將直流隔掉,取出經放大后的交流成分。它們的關系式為由圖2－9可看出,基極、集電極電流和電壓的交流成分保持一定的相位關系。ic、ib和ube三者相位相同;uce與它們相位相反。即輸出電壓與輸入電壓相位是相反的。這是共e極放大電路的特征之一。2.3.2放大電路的非線性失真

1.由三極管特性曲線非線性引起的失真這種失真主要表現在輸入特性的起始彎曲部分,輸出特性間距不勻,當輸入信號又比較大時,將使ib、uce和ic正負半周不對稱,即產生了非線性失真,如圖2－10所示。圖2–10

三極管特性的非線性引起的失真

2.工作點不合適引起的失真當工作點設置過低,在輸入信號的負半周,工作狀態進入截止區,因而引起iB、iC和uCE的波形失真,這稱為截止失真。由圖2－11(a)可以看出,對于NPN三極管共e極放大電路,對應截止失真,輸出電壓uCE的波形出現頂部失真。如果工作點設置過高,則在輸入信號的正半周,三極管工作狀態會進入飽和區,此時,iB繼續增大而iC不再隨之增大,因此引起iC和uCE的波形失真,這稱為飽和失真。由圖2－11(b)可看出,對于NPN三極管共e極放大電路,當產生飽和失真時,輸出電壓uCE的波形出現底部失真。圖2–11

靜態工作點不合適產生的非線性失真放大電路存在最大不失真輸出電壓幅值Umax或峰-峰值Up-p。最大不失真輸出電壓是指:當工作狀態已定的前提下,逐漸增大輸入信號,三極管尚未進入截止或飽和時,輸出所能獲得的最大不失真輸出電壓。如ui增大首先進入飽和區,則最大不失真輸出電壓受飽和區限制,Ucem=UCEQ-Uces;如首先進入截止區,則最大不失真輸出電壓受截止區限制,Ucem=ICQ·R,最大不失真輸出電壓值,選取其中小的一個。如圖2-12所示,所以圖2–12

最大不失真輸出電壓關于圖解法分析動態特性的步驟歸納如下:(1)首先作出直流負載線,求出靜態工作點Q。(2)

作出交流負載線。根據要求從交流負載線可畫出輸出電流、電壓波形,或求出最大不失真輸出電壓值。2.3.3微變等效電路法

1.物理等效電路三極管的微變等效電路，可從電路知識引入h參數微變等效電路。下面我們從管子工作原理直接得出簡化微變等效電路。電路如圖2－13(a)所示。對信號而言三極管發射結是信號源的負載，它向信號索取電流Ib，如在信號源間接入電阻rbe，如圖2－13(b)所示，此時信號源也向rbe提供電流Ib，則稱rbe是三極管be間的等效電阻，即三極管be間可用電阻rbe等效；根據三極管輸出特性，只要三極管工作在放大區，三極管就可視為電流源，輸出電流IC≈βIb,它是一個受控電流源，其大小和方向均受基極電流Ib的控制。故三極管ce間可用受控電流源βIb等效，如圖2－14所示。圖2－13三極管電路及其be間等效電路綜合上述結論，三極管的微變等效電路可用圖2－15所示。該等效電路稱為三極管的簡化微變等效電路，因為它沒考慮ce間的電壓變化引起的基區寬度變化，從而使基極電流Ib變化(有時稱此為基區寬變效應)。由于該影響較小，一般情況下均將此影響忽略。而ce間的等效電路中，沒考慮電阻rce，由于其數值較大，一般在數十千歐到數百千歐，遠大于負載電阻，其影響也很小，故也將此影響忽略。在放大電路指標分析和計算中，一般均采用簡化等效電路。圖2－14三極管輸出特性及ce間等效電路圖2-15三極管的簡化等效電路

rbe如何計算呢?畫出三極管內部結構示意圖,如圖2-16(a)所示,基極與發射極之間由三部分電阻組成:基區體電阻rbb′,對于低頻小功率管，rbb′約為300Ω,對于高頻小功率管，rbb′約為幾十~100Ω；re′為發射區體電阻,由于重摻雜,故re′很小,一般可忽略；re為發射結電阻?；鶚O和集電極之間,rc為集電結電阻,rc′為集電區體電阻,βIb是受控電流源。一般由于集電結反向運用,rc很大,可視為開路，則輸入等效電路如圖2-16(b)所示。圖2-16

rbe估算等效電路分析輸入等效電路可以寫出又Ie=(1+β)Ib

則故其中,發射結動態電阻re可由公式(1-5)求出，即所以(IEQ取mA)

2.三極管的h參數微變等效電路三極管處于共e極狀態時,輸入回路和輸出回路各變量之間的關系由以下形式表示:

輸入特性:輸出特性:式中iB、

iC、

uBE、uCE代表各電量的總瞬時值,為直流分量和交流瞬時值之和,即(2-7)(2-8)用全微分形式表示uBE和iC，則有（2-9）（2-10）令(2-11)(2-12)(2-13)(2-14)則(2-

9)、(2-10)式可寫成（2-15）（2-16）則式(2-

15)、(2-16)可改寫成（2-17）（2-18）圖2–

17

完整的h參數等效電路*3.h參數的意義和求法三極管輸出交流短路時的輸入電阻(也可寫成hie)三極管輸入交流開路時的電壓反饋系數(也可寫成hre）三極管輸出交流短路時的電流放大系數(也可寫成hfe）三極管輸入交流開路時的輸出導納(也可寫成hoe)圖2–

18

從特性曲線上求出h參數由于h12、h22是uCE變化通過基區寬度變化對iC及uBE的影響,一般這個影響很小,所以可忽略不計。這樣(2-16)、(2-17)式又可簡化為(2-19)(2-20)2.3.4三種基本組態放大電路的分析放大電路的性能指標(1)電壓放大倍數Au。(2-21)(2-22)(2)電流放大倍數Ai。(3)功率放大倍數Ap。(2-23)(2-24)(4)輸入電阻ri。(5)輸出電阻ro。(2-25)(2-26)圖2–

19

ro測量原理圖實際中,也可通過實驗方法測得ro,測量原理圖如圖2-17所示。第一步令RL→∞時,測出放大器開路電壓Uo。第二步接入RL,測得相應電壓為Uo′。而(2-27)

2.共e極放大電路電路如圖2-20(a)所示,畫出其微變等效電路如圖2-20(b)所示。畫微變等效電路時,把電容C1、C2和直流電源UCC視為短路。圖2–

20

共e極放大電路及其微變等效電路(1)電壓放大倍數由圖2-20(b)等效電路得(2-28)(2)電流放大倍數考慮Rb的作用,電流在輸入端存在分流關系?？紤]負載Rc、RL的影響,電流在輸出端也存在一個分流關系。由等效電路圖2–20(b)可得Ii≈Ib,流過負載 的電流為輸出電流Io，則Io≈Ic=βIb,所以

(3)輸入電阻ri:

由圖2-18(b)可直接看出ri=Rb∥ri′,式中由于Ui′=Ibrbe，所以

ri′=rbe。當Rb>>rbe時,則ri=Rb∥rbe≈rbe(2-30)

(4)輸出電阻ro:

由于當Us=0時,Ib=0,從而受控源βIb=0,因此可直接得出ro=Rc。注意,因ro常用來考慮帶負載RL的能力,所以,求ro時不應含RL,應將其斷開。(5)源電壓放大倍數(2-31)

3.共c極放大電路電路如圖2-21(a)所示,信號從基極輸入,射極輸出,故又稱為射極輸出器。圖2-21(b)為其微變等效電路。圖2–

21共c極放大電路及其微變等效電路(1)電壓放大倍數(2-32)(2)電流放大倍數流過Re′=Re‖RL的電流為Io，則所以(2-33)(3)輸入電阻ri:共c極放大電路輸入電阻高,這是共c極電路的特點之一。因故(2-34)

(4)輸出電阻ro:

按輸出電阻計算方法,信號源Us短路,在輸出端加入U2,求出電流I2,則其等效電路如圖2-22所示。由圖可得圖2–

22

求ro等效電路則綜上所述,共c極放大電路是一個具有高輸入電阻、低輸出電阻、電壓增益近似為1的放大電路。所以共c極放大電路可用來作輸入級、輸出級,也可作為緩沖級,用來隔離它前后兩級之間的相互影響。4.共b極放大電路圖2–

23共b極放大電路及其微變等效電路(1)電壓放大倍數：(2-36)(2)輸入電阻ri:與共e極放大電路相比,其輸入電阻減小到rbe/(1+β)。(2-37)(3)輸出電阻ro:(4)電流放大倍數(2-38)(2-39)表2-2三種基本放大器的比較2.4靜態工作點的穩定及其偏置電路

(1)溫度上升,反向飽和電流ICBO增加,穿透電流ICEO=(1+β)ICBO也增加。反映在輸出特性曲線上是使其上移。

(2)溫度上升,發射結電壓UBE下降,在外加電壓和電阻不變的情況下,使基極電流IB上升。(3)溫度上升,使三極管的電流放大倍數β增大,使特性曲線間距增大。綜合起來,溫度上升,將引起集電極電流IC增加,使靜態工作點隨之升高。我們知道,靜態工作點選擇過高,將產生飽和失真,如圖2-24所示;反之亦然。顯然,不解決此問題,三極管放大電路難于應用,冬天設計的電路,夏天可能工作不正常;北方的電路,南方用不成。圖2–24

溫度對Q點和輸出波形的影響實線:20℃時的特性曲線虛線:50℃時的特性曲線解決辦法應從兩個方面入手:使外界環境處于恒溫狀態,把放大電路置于恒溫槽中,但這樣所付出的代價較高,因而此方法只用于一些特殊要求的地方。再有一個辦法就是本節所介紹的從放大電路自身去考慮,使其在工作溫度變化范圍內,盡量減小工作點的變化。圖2–

25電流反饋式偏置電路我們知道,工作點的變化集中在集電極電流IC的變化。因此,工作點穩定的具體表現就是IC的穩定。為了克服IC的漂移,可將集電極電流或電壓變化量的一部分反過來饋送到輸入回路,影響基極電流IB的大小,以補償IC的變化,這就是反饋法穩定工作點。反饋法中常用的電路有電流反饋式偏置電路、電壓反饋式偏置電路和混合反饋式偏置電路三種,其中最常用的是電流反饋式偏置電路,如圖2-25所示。該電路利用發射極電流IE在Re上產生的壓降UE,調節UBE,當IC因溫度升高而增大時,UE將使IB減小,于是便減小了IC的增加量,達到穩定工作點的目的。由于IE≈IC,因而只要穩定IE,IC便穩定了。為此，電路上要做到下述兩點。(1)要保持基極電位UB恒定,使它與IB無關,由圖2-23可得此式說明UB與晶體管無關,不隨溫度變化而改變,故UB可認為恒定不變。(2-40)(2-41)

(2)由于IE=UE/Re,所以要穩定工作點,應使UE恒定,不受UBE的影響,因此要求滿足條件穩定工作點的過程可表示如下:TIEIEReUBEIE(2-42)(2-43)實際中公式(2-40)、(2-42)滿足如下關系:對硅管,UB=3~5V;鍺管,

UB=1~3V。(2-44)對圖2-

25所示靜態工作點,可按下述公式進行估算:(2-45)如要精確計算,應按戴維寧定理,將基極回路對直流等效為如圖2-

26所示,然后按下式計算直流工作狀態:圖2–

26

利用戴維寧定理后的等效電路圖2–

27

圖2-

25的微變等效電路圖2-

25的動態分析如下所述:(1)電壓放大倍數其中所以(2)輸入電阻ri:由圖2-25可得(3)輸出電阻ro:

【例4】設圖2–25中UCC=24V,Rb1=20kΩ,Rb2=60kΩ,Re=1.8kΩ,Rc=33kΩ,β=50,UBE=0.7V，求其靜態工作點。

【例5】圖2-28(a)、(b)為兩個放大電路,已知三極管的參數均為β=50,rbb′=200Ω,UBEQ=0.7V,電路的其它參數如圖所示。

(1)分別求出兩個放大電路的電壓放大倍數和輸入、輸出電阻。

(2)如果三極管的β值均增大1倍,分析兩個電路的Q點各將發生什么變化。

(3)三極管的β值均增大1倍,兩個放大電路的電壓放大倍數如何變化?圖2-28例5電路圖

解

(1)圖2-28(a)是共發射極基本放大器,圖2-28(b)是具有電流負反饋的工作點穩定電路。它們的微變等效電路如圖2-29(a)、(b)所示。圖2-29圖2-28的微變等效電路為求出動態特性參數,首先得求出它們的靜態工作點。在圖2-28(a)所示放大電路中，有在圖2-28(b)所示放大電路中，有兩個電路靜態工作點處的ICQ(IEQ)值相同,且rbb′和β也相同,則它們的rbe值均為由微變等效電路可求出圖2-29(a)所示電路的下列參數：同理求得圖2-29(b)所示電路的參數如下：可見上述兩個放大電路的Au和ro均相同,ri也近似相等。

(2)當β由50增大到100時,對于圖2-28(a)所示放大電路,可認為IBQ基本不變,即IBQ仍為0.02mA,此時,ICQ=βIBQ=100×0.02=2mAUCEQ=UCC-ICQRc=12-2×5=2V可見,β值增大后,共e極基本放大電路的ICQ增大,UCEQ減小,Q點移近飽和區。對本例,如β再增大,則三極管將進入飽和區,使電路不能進行放大。圖2-29(b)所示的工作點穩定電路中,當β值增大時,UB、UE、IEQ、ICQ、UCEQ均沒有變化,電路仍能正常工作,這也正是工作點穩定電路的優點。但此時IBQ將減小，如上述Q點變化情況,可用圖2-30表示。圖2-30

β增大時兩種共射放大電路Q點的變化情況

(3)從上述兩電路中其電壓放大倍數表達式可以看出兩者是相同的,均為Au=-βRL′/rbe,似乎β上升,其Au均應同比例增大。實際并非如此,因為與工作點電流IEQ有關。對于圖2-29(a),當β=100時,IEQ=2mA,則與β=50相比,rbe幾乎沒變,而｜Au｜基本上增大了1倍。對于圖2-29(b),當β=100時,IEQ基本不變,仍為1mA,則與β=50相比,rbe增大了,但Au基本不變。2.5多級放大電路

2.5.1多級放大電路的耦合方式常用的耦合方式有三種,即阻容耦合、直接耦合和變壓器耦合。

1.多級放大電路的組成圖2–

31多級放大電路組成的方框圖對輸入級的要求與信號源的性質有關。例如,當輸入信號源為高內阻電壓源時,則要求輸入級也必須有高的輸入電阻,以減少信號在內阻上的損失。如果輸入信號源為電流源,為了充分利用信號電流,則要求輸入級有較低的輸入電阻。中間級的主要任務是電壓放大,多級放大電路的放大倍數主要取決于中間級,它本身就可能由幾級放大電路組成。輸出級是推動負載。當負載僅需要足夠大的電壓時,則要求輸出具有大的電壓動態范圍。更多場合下,輸出級推動揚聲器、電機等執行部件,需要輸出足夠大的功率,常稱為功率放大電路。

2.阻容耦合通過電阻、電容將前級輸出接至下一級輸入,如圖2-32所示。通過電容C1與輸入信號相連,通過電容C